DE2612437C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schalteinrichtung mit zwei elektromechanisch betätigten Hauptkontakten und zwei mitbetätigten Hilfskontakten, mit einem den Hauptkon­ takten parallel schaltbaren, steuerbaren Halbleiter, dessen Steuerelektrode mit den Hilfskontakten verbunden ist, derart, daß während des Öffnens und Schließens der Hauptkontakte der Halbleiter über die Hilfskontakte angeschaltet ist.

Eine derartige elektrische Schalteinrichtung ist aus der US-PS 32 60 894 bekannt. Bei der Schaltein­ richtung gemäß dieser Patentschrift besteht jede Kontakt­ strecke aus zwei federnd vorgespannten, gleichlangen Kon­ taktstücken, zwischen denen der Kontakt über von der Betä­ tigungseinrichtung betätigte Schaltstifte herstellbar ist.

Bei einer derartigen Schalteinrichtung arbeiten die Kon­ taktstrecken verhältnismäßig rauh, sind nicht im ausrei­ chenden Maße betriebssicher, insbesondere bei Leistungs­ schalteinrichtungen mit häufigen Ein-Aus-Schaltungen.

Aus der DE-AS 12 38 541 ist eine elektrische Schaltein­ richtung bekannt, bei welcher nicht ein mechanischer Schalter sondern der Thyristor bzw. der steuerbare Halb­ leiter selbst das steuerbare Schaltelement eines Motor­ stromkreises ist, wobei dieser Stromkreis über eine mecha­ nische Schalteinrichtung mit der Versorgungsspannung ver­ bunden wird. Der Thyristor ist daher primär das eigentli­ che Schaltelement. Die mechanischen Schaltkontakte befin­ den sich auf einseitig eingespannten flexiblen Kontaktfe­ dern. Bei der Schalteinrichtung gemäß der DE-AS 12 38 541 schließt der Schaltkontakt der mechanischen Schaltstrecke früher als der Hilfskontakt, der mit der Zündelektrode des Thyristors verbunden ist, weil zum Zeitpunkt des Schlie­ ßens der mechanischen Schaltstrecke der Stromkreis noch im Ruhezustand ist.

Bei einer Schalteinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen geht es grundsätzlich darum, beim Öffnen oder Schließen von Kontaktstellen in einem Relais eine Lichtbo­ genbildung zu verhindern. Eine solche Lichtbogenbildung kann auftreten, wenn die Relaiskontakte geöffnet oder ge­ schlossen werden, wenn währenddessen eine Spannung zwi­ schen ihnen anliegt. Die Lichtbogenbildung veranlaßt nicht nur eine unerwünschte Funkstörung als Ergebnis einer Ra­ diostrahlung von dem Schalter, sondern beschränkt auch er­ heblich die Lebensdauer des Relaiskontaktes. Die Kontakt­ stellen können verschmoren mit der Folge eines erhöhten Kontaktwiderstandes an der Stelle, wo das Relais nicht ausreichend arbeitet.

Verschiedene Lösungen hat man gesucht, um die Lichtbogen­ bildung über Relaiskontaktstellen zu verhindern, wenn die Kontaktstellen geöffnet oder geschlossen werden. Zum Bei­ spiel beschreibt die US-Patentschrift 37 36 466 eine Schal­ tung, bei welcher ein Triac-Halbleiter (Zweiwegethyristor) in Reihe mit den Hauptkontakten eines mechanischen Schal­ ters angeordnet ist. Der Schalter weist eine zweite Gruppe von Kontakten (Hilfskontakten) auf, die so angeschlossen sind, daß sie das Triac so steuern, daß das Öffnen und Schließen der Hauptkontakte stromlos erfolgt. Ein Nachteil einer solchen Schaltung besteht darin, daß das Triac in Reihe mit der Versorgungsquelle und der Last liegt und so­ mit ein hinreichend großes Leistungsvermögen haben muß, um den an die Last angelegten Strom zu verkraften.

Um einen Halbleiter mit einer kleineren Stromleistung zu verwenden, ist bei verschiedenen Schaltungen der Halblei­ ter parallel zu den Leistung führenden Hauptkontakten ei­ nes Relaisschalters gelegt. Die US-Patentschriften 35 58 910 und 35 55 353 zeigen solche Schaltungen. Die in den beiden Patentschriften gezeigten Schaltungen verwenden beide den an die Relaisspule angelegten Strom zur Erregung des Steueranschlusses eines Triac, welches parallel zu den Strom führenden Kontakten des Relais angeschlossen ist.

Diese Schaltungen haben den Nachteil, daß das Triac paral­ lel zu den Strom führenden Kontakten so lange durchge­ schaltet ist, wie die Strom führenden Kontakte geschlossen sind. Wenn letztere nur einen vernachlässigbaren Wider­ stand haben, wird das Triac kurzgeschlossen, während die primären Kontakte geschlossen sind, und führt deshalb kei­ nen Laststrom. Wenn jedoch die Kontakte einen erheblichen Widerstand aufweisen, wird das Triac gezwungen, einen er­ heblichen Strom zu führen, und kann deshalb überlastet werden.

Um die Beschädigung des Halbleiters in einer solchen Situ­ ation zu verhindern, ist es notwendig, die Möglichkeit vorzusehen, den Halbleiter nur eine kurze Zeit lang lei­ tend werden zu lassen, und zwar während des Schließens und Öffnens der primären Relaiskontaktstellen. Zur Gewährlei­ stung dieses Ergebnisses ist nach der US-Patentschrift 36 39 808 eine Lösung vorgesehen. Die dort gezeigte Schal­ tung verwendet eine Gleichstromversorgung zur Erregung der Relaisspule. Eine Sekundärspule ist an der Relaisspule an­ gekoppelt und an die Steuerelektrode des Triac derart an­ geschlossen, daß sie nur dann ein Signal aufnimmt, wenn das Relais an- oder abgeschaltet wird. Dies hat den Vor­ teil, daß ein kleineres Triac verwendet werden kann, da es nicht dauernd den Laststrom leitet, wenn die Relaiskon­ takte nicht schließen oder einen erheblichen Kontaktwider­ stand entwickeln sollten. Eine solche Schaltung erfordert jedoch, daß zur Erregung der Relaisspule eine Gleichstrom­ versorgungsspannung zur Verfügung steht.

Gegenüber einer elektrischen Schalteinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen liegt der vorliegenden Erfin­ dung die Aufgabe zugrunde, die Schalteigenschaften dieser bekannten Schalteinrichtung zu verbessern.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung da­ durch, daß zwei flexible, längliche, beabstandet zueinan­ der angeordnete, einseitig befestigte Kontaktfedern mit jeweils einem Hauptkontakt vorgesehen sind, an denen die erste Kontaktfeder an seinem freien, verlängerten Ende einem ersten Hilfskontakt gegenübersteht, daß die erste Kontaktfeder zwischen dem Hauptkontakt und dem beweglichen ersten Hilfskontakt in eine Öffnung einer ortsfesten, iso­ lierten Halterung geführt ist, daß an der ersten Kontakt­ feder zwischen der Befestigungsstelle der Kontaktfedern und dem Hauptkontakt ein mechanisches Betätigungselement angreift und daß die Schalteinrichtung so abgestimmt ist, daß im Ruhezustand beide Kontaktstellen offen sind und beim Betätigen der Schalteinrichtung über das Betätigungs­ element die erste Kontaktfeder die Hilfskontakte vor den Hauptkontakten schließt, danach beide Kontaktstellen für eine gewisse Bewegungsstrecke des Betätigungselementes ge­ schlossen sind, bis die erste Kontaktfeder in der Öffnung der isolierten Halterung anliegt und sich unter Öffnung der Hilfskontakte bei geschlossenen Hauptkontakten ent­ sprechend durchbiegt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unter­ ansprüchen zu entnehmen.

Zur Erläuterung der Erfindung dient die folgende Beschrei­ bung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Schaltkreises der bevorzugten Ausführungsform, bei welcher nur ein Teil des Relaismechanismus gezeigt ist,

Fig. 2 bis 5 die Bewegung des Relaismechanismus während des Schließens der Kontaktstellen,

Fig. 6 den Schnitt eines Teils des Relais gemäß den Fig. 2 bis 5,

Fig. 7 ein modifiziertes Relais, welches bei einer ande­ ren Ausführungsform der Erfindung verwendet wird,

Fig. 8 einen Teilschnitt des Relais gemäß Fig. 7, in Fig. 7 von links nach rechts gesehen und

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer anderen Aus­ führungsform.

In Fig. 1 ist schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit einem Teil des Relaismechanismus gezeigt. Eine Spannungsquelle 13 muß an eine Last 16 mittels eines Hauptkontaktes 18 und eines zweiten Hauptkontaktes 20 an­ geschlossen werden, die auf einer ersten Kontaktfeder 23 und einer zweiten Kontaktfeder 25 angebracht sind. Eine Betätigungseinrichtung zur Bewegung der Kontakte 18 und 20 weist eine Relaisspule 28 auf, die durch das Schließen eines Schalters 30 erregt wird. Die Erregung der Spule 28 führt zur Bewegung des Relaisankers 33 gegen die Relais­ spule 28. Dieser Bewegung wird durch eine Gegenkraft ent­ gegengewirkt, welche durch die Feder 36 um die Schwenk­ stelle 39 aufgebracht wird. Die Bewegung des Relaisankers 33 führt zur Bewegung eines isolierten Betätigungssteges 42, welcher mit der ersten Kontaktfeder 23 in Eingriff tritt.

Eine Hilfskontaktstelle weist einen ersten Hilfskontakt 45 auf, der auf der ersten Kontaktfeder 23 angeordnet ist, und weist einen zweiten Hilfskontakt 47 auf, welcher an der Steuerelektrode 51 eines Halbleiters 54 angeschlossen ist, welche die Impedanz 55 aufweist. Der Halbleiter 54 hat erste und zweite Anschlüsse 56 und 58 und kann in ty­ pischer Weise ein Triac-Halbleiter sein. Gemäß den Fig. 2 bis 5 ist das Relais in nacheinanderfolgenden Positionen gezeigt, wie sie während eines Schließvorganges durchlau­ fen werden. Die ersten und zweiten Kontaktfedern sind auf einer ersten isolierten Stütze 60 angebracht. Die Kontakt­ federn können in typischer Weise aus leitendem Metall her­ gestellt sein, so daß sie sich während des Betriebes des Relais biegen können. Eine zweite isolierte Stütze 62 ist zur Befestigung des zweiten Hilfskontaktes 47 vorgesehen. Die erste Kontaktfeder 23 geht durch eine in Fig. 6 ge­ zeigte Öffnung 65 in der isolierten Stütze 62 hindurch. Die Öffnung ist so angeordnet, daß beim Schließen der Hilfskontakte die erste Kontaktfeder auf die Kante der Öffnung 65 aufstößt.

Die Folge der während der Betätigung des Relais auftreten­ den Schritte ist folgende: In Fig. 2 ist der Relaisanker 33 zu einer Anfangsstellung durch eine Feder vorgespannt, und die Kontaktfedern 23 und 25 sind derart angeordnet, daß die Kontakte 18, 20, 45 und 47 vollständig geöffnet sind. Nach der Erregung der Relaisspule 28 wird der Relais­ anker 33 nach unten entgegen der Vorspannungskraft der Fe­ der 36 gezogen. Hierdurch wird der Betätigungssteg 42 ver­ anlaßt, die erste Kontaktfeder 23 in eine zweite, in Fig. 3 gezeigte Position zu bewegen, in welcher die Hilfskon­ takte 45 und 47 geschlossen sind. Danach wird die erste Kontaktfeder 23 durch den Betätigungssteg 42 noch weiter in eine dritte, in Fig. 4 gezeigte Position bewegt, in welcher sowohl die Hauptkontakte 18 und 20 als auch die Hilfskontakte 45 und 47 geschlossen sind. Sobald der Re­ laisanker 33 sich in seine Endstellung bewegt, nehmen die Hauptkontakte eine vollständig geschlossene Endstellung an. Die Hilfskontakte sind in dieser vierten Stellung je­ doch infolge derjenigen Biegung geöffnet, die von der er­ sten Kontaktfeder 23 hervorgerufen wird, welche auf die Kante der Öffnung 65 in der zweiten isolierten Stütze 62 aufstößt. Diese vierte Stellung ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Die nach Öffnung der Hauptkontakte auftre­ tende Reihenfolge ist die Umkehr zu der oben erwähnten. Das heißt, die Hilfskontakte schließen vor dem Öffnen der Hauptkontakte und bleiben geschlossen, bis die Hauptkon­ takte sich vollständig geöffnet haben.

Unter nochmaliger Betrachtung der Fig. 1 erkennt man, daß die oben erörterte Operationsfolge für ein Schalten mit Lichtbogenunterdrückung sorgt. Wenn der Schalter 30 ge­ schlossen ist, bewegt der Relaisanker 33 den Betätigungs­ steg 42 nach unten und bewirkt ein Schließen der Hilfskon­ takte 45 und 47. Das Triac 54 wird deshalb eingeschaltet, sobald Strom über die Hilfskontakte zur Steuerelektrode 51 fließt. An dieser Stelle beginnt der Strom, von der Spannungsquelle 13 durch die Last 16 und das Triac 54 zu fließen. Die Spannung über dem Triac ist minimal, und so­ mit werden die Hauptkontakte 18 und 20 in wirksamer Weise kurzgeschlossen. Diese Kontakte werden dann geschlossen, und es tritt kein Lichtbogen auf. Das Triac 54 und die Hauptkontakte 18 und 20 liegen dann parallel, und wenn die Kontakte nur einen minimalen Widerstand haben, leiten sie den Laststrom um das Triac herum. Da die Kontakte jedoch infolge ihrer Oxydation oder Verschmutzung einen Wider­ stand entwickeln können, ist die Endstellung, welches das Relais annimmt, eine solche, bei welcher die Hilfskontakte 45 und 46 geöffnet sind. Hierdurch wird das Steuersignal von der Steuerelektrode 51 fortgenommen, so daß beim Null­ durchgang des Wechselstromes das Triac abgeschaltet wird. Selbst wenn sich also der Widerstand der Hauptkontakte erhöht hat, wird das Triac nicht gezwungen, eine erhebli­ che Zeit lang Strom zu führen.

Wenn nun die volle Spannung an den Kontakten liegt, kann eine gewisse Abnutzung der Kontaktoberfläche auftreten, wodurch die Kontakte gereinigt werden, so daß sie danach die volle Last tragen können. Das Triac kann deshalb fur eine kleinere Leistung ausgelegt sein als es erforderlich wäre, wenn das Triac dauernd eingeschaltet wäre, während die Hauptkontakte geschlossen sind. Die ganze Vorrichtung wird somit weniger teuer, da Kühlungsvorrichtungen und dergleichen nicht erforderlich sind.

Wenn der Schalter 30 geöffnet wird und die Hauptkontakte 18 und 20 geöffnet werden müssen, durchläuft die Schaltung durch die oben diskutierten Schritte in umgekehrter Reihen­ folge. Die Hilfskontakte schließen, schließen die Haupt­ kontakte durch Aufschalten des Triac 54 kurz, und die Hauptkontakte werden danach geöffnet. Nachdem dies ge­ schehen ist, werden die Hilfskontakte geöffnet, schalten das Triac ab und trennen die Last 16 in wirksamer Weise von der Spannungsquelle 13.

In den Fig. 7 bis 9 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, in welchen den in den Fig. 1 bis 6 gezeigten identischen Elementen gleiche Bezugszahlen gege­ ben sind. Eine modifizierte Relaisanordnung ist in Fig. 7 gezeigt, bei welcher der erste Hilfskontakt 45 elek­ trisch von den Hauptkontakten 18 und 20 durch einen Isola­ tor 70 isoliert ist. Die Hilfskontaktstelle weist zwei se­ kundäre Hilfskontakte 74 und 76 auf, wie in Fig. 8 ge­ zeigt ist, die so angebracht sind, daß sie voneinander elektrisch isoliert sind. Die Kontaktschließfolge bei die­ ser Ausführungsform ist identisch mit der, wie sie im Hin­ blick auf die erste Ausführungsform der Erfindung beschrie­ ben ist. Das heißt, die Hilfskontakte schließen vor dem Schließen oder Öffnen der Hauptkontakte und öffnen danach. Somit sind die zwei sekundären Hilfskontakte 76 und 74 elektrisch durch den ersten Hilfskontakt 45 unmittelbar vor dem Schließen oder Öffnen der Hauptkontakte 18 und 20 angeschlossen. Nachdem die Hauptkontakte 18 und 20 ohne Lichtbogenbildung geschlossen oder geöffnet worden sind, werden die sekundären Hilfskontakte 74 und 76 geöffnet.

Fig. 9 zeigt eine Schaltung, die zur Verhinderung der Lichtbogenbildung bei dieser Ausführungsform verwendet werden kann. Die Hauptkontakte 18 und 20 werden durch die Halbleitereinrichtung 79 in Abhängigkeit von der Verbin­ dung der Hilfskontakte 74 und 76 durch den Hilfskontakt 45 geshuntet. Zwei gesteuerte Silizium-Gleichrichter 83 und 85 werden gesteuert, um bei Wechselstromhalbperioden den Strom zu leiten. Die Dioden 88 und 89 arbeiten bei Wechselstromhalbperioden, um die Steuerelektrode und die Kathodenanschlüsse der gesteuerten Silizium-Gleichrichter kurzzuschließen. Während die in Fig. 1 gezeigte Schal­ tungsanordnung in der Lage sein kann, 800 Volt bei einem Einperiodenstrom-Stoß von 350 A zu schalten, kann die in Fig. 9 gezeigte Schaltungsanordnung in typischer Weise in der Lage sein, 2400 Volt bei einem Einperiodenstromstoß von 14000 A zu schalten. Auch sind gesteuerte Silizium- Gleichrichter mit einer besseren Toleranz versehen für in­ duktive Lasten als Triacs.

Während z.B. die zum zeitweiligen Überbrücken der Haupt­ kontakte verwendete Halbleitereinrichtung hier so gezeigt ist, daß sie von derselben Spannungsquelle, welche den Strom zur Last führt, erregt wird, kann auch eine getrenn­ te Spannungsquelle verwendet werden, um die Halbleiterein­ richtung zu steuern. Ebenso kann eine getrennte Spannungs­ quelle für die Relaisspule verwendet werden. Außerdem kann die Erfindung auch bei einem durch andere Einrichtungen als durch ein Relais betätigbaren Schalter benutzt werden.

Claims (4)

1. Elektrische Schalteinrichtung mit zwei elektromecha­ nisch betätigten Hauptkontakten (18, 20, 23, 25) und zwei mitbetätigten Hilfskontakten, mit einem den Haupt­ kontakten parallel schaltbaren, steuerbaren Halbleiter, dessen Steuerelektrode mit den Hilfskontakten verbunden ist, derart, daß während des Öffnens und Schließens der Hauptkontakte der Halbleiter über die Hilfskontakte an­ geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei fle­ xible, längliche, beabstandet zueinander angeordnete, einseitig befestigte Kontaktfedern (23, 25) mit jeweils einem Hauptkontakt (18, 20) vorgesehen sind, von denen die erste Kontaktfeder (23) an seinem freien, verlän­ gerten Ende einem ersten Hilfskontakt (45) gegenüber­ steht, daß die erste Kontaktfeder (23) zwischen dem Hauptkontakt (18) und dem beweglichen ersten Hilfskon­ takt (45) in eine Öffnung (65) einer ortsfesten, iso­ lierten Halterung (62) geführt ist, daß an der ersten Kontaktfeder zwischen der Befestigungsstelle der Kon­ taktfedern und dem Hauptkontakt (18) ein mechanisches Betätigungselement (42) angreift und daß die Schalt­ einrichtung so abgestimmt ist, daß im Ruhezustand beide Kontaktstellen offen sind und beim Betätigen der Schalt­ einrichtung über das Betätigungselement die erste Kon­ taktfeder (23) die Hilfskontakte (45, 47) vor den Haupt­ kontakten (18, 20) schließt, danach beide Kontaktstel­ len für eine gewisse Bewegungsstrecke des Betätigungs­ elementes geschlossen sind, bis die erste Kontaktfeder in der Öffnung der isolierten Halterung anliegt und sich unter Öffnung der Hilfskontakte bei geschlossenen Hauptkontakten entsprechend durchbiegt.

2. Elektrische Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Hauptkontakt (18) auf der ersten Kontaktfeder (23) und dem bewegli­ chen Hilfskontakt (45) ein Isolierstück (70) eingefügt ist und daß der feststehende Hilfskontakt aus zwei Kon­ taktstücken (74, 78) besteht (Fig. 7 bis 9).

3. Elektrische Schalteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Betätigungs­ element (42) relaisbetätigt ist und gelenkig am drehbar gehalterten Relaisanker befestigt ist.

4. Elektrische Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Halbleiter durch ein Triac gebildet ist.